Interview 原子核物理が原子力の未来を切り開く革新的高速炉に不可欠な「代理反応」実験を推進千葉敏 Satoshi Chiba 極限重原子核研究グループ Research Group for Physics of Heavy Nuclei 原子炉の燃料であるウラン資源の枯渇の問題を解決するとともに、高レベル放射性廃棄物の問題を軽減できると期待される革新的高速炉。その研究開発に欠かせない「代理反応」の実験を、千葉敏サブリーダーたちは推進している。代理反応とは、原子炉内でできる放射能の強い原子核など、直接測定することが困難な原子核と中性子の反応を、測定可能な別の核反応によって理解する方法である。千葉サブリーダーたちは、この代理反応が成り立つための条件を理論的に解明。さらに 2010 年度には、日本原子力研究開発機構（JAEA）のタンデム加速器施設で代理反応の実験を開始する。工学と理学の垣根を越えて原子力の未来を開く革新的高速炉「私が学生のころ、原子力は花形の研究分野でした。その後一時期、原子力の人気は低迷しましたが、資源を支配しているのが、核力だ。核融合や核分裂に伴うの乏しい日本にとって原子力は必要なものだという信原子力のばく大なエネルギーも核力に由来する。「しか念のもと、私は研究を続けてきました。現在、原子力し、その肝心の核力が、いまだに完全には理解できてルネサンスと呼ばれる時代が再来したことは、大変喜いないのです。私は核力について理解するために、中ばしいことです」性子星の研究にも取り組みました」千葉敏サブリーダー（SL）は大学時代、工学部で原子炉や核融合炉の設計に必要な核反応を測定する実中性子星は重い星が一生の最後に見せる超新星爆発によってできる、ほとんどが中性子からなる天体だ。験に携わった。「原子力工学の中でも物理学に最も近い「その半径は 10km ほどですが、質量が太陽の約 1.4 倍分野です。しかし、核反応のメカニズムについて疑問という超高密度天体です。中性子星の研究は、人間のがあっても、理学部の誰に尋ねればいいのか分からな持つ想像力を最大限に高めて、極限状態の核力が織りい状況でした」成す世界を探るプロセスです。それによってこれまで日本の原子力研究開発の世界には、工学と理学の間考えもしなかった核力の側面が見えてきました。そこに垣根がある、と千葉 SL は指摘する。「欧米では工学から核反応メカニズムへアプローチすることで、実験系と理学系の研究者がうまく協力して原子力の研究開では測定困難な原子核現象を理解することを目指しまれいめい発が推進されてきました。一方、日本では黎明期は別した。実は、それまでの研究テーマとあまりにも違いとして、大学や研究所にいる理学系の研究者は原子力過ぎたため、この時期、論文はあまり書けなかったのへの関心が薄く、現在でも両者の交流はあまりありまですが、一種のブレーンストーミングから新しい知識せん。私はそのような状況にずっと危機感を抱いてきと人脈が得られ、その後の研究を展開する上で掛け替ました」えのない財産となりました。こういうことをできるの 1985 年、旧・日本原子力研究所（現・JAEA）に入が、先端基礎研究センターのいいところです」所した千葉 SL は、原子力工学の部門で研究を進めた測定困難な原子核現象の理解は、革新的高速炉の実後、1998 年に先端基礎研究センターに移り、原子核現にも不可欠である。革新的高速炉とは、原子炉の燃物理の研究をより基礎的な視点から開始した。「工学か料であるウラン資源の枯渇の問題を解決するとともら理学にわたる原子核の反応にかかわるテーマを、幅に、高レベル放射性廃棄物の問題を軽減できると期待広く研究してきました。そこがほかの研究者と異なるされている次世代の原子炉だ。まずこの革新的高速炉私の特徴だと思います。原子核物理に立ち入ることはについて紹介しよう。回り道に見えるかもしれませんが、ひいては原子力の利用に役立つはずです」 2 陽子と中性子を結び付けて原子核をつくり、核反応基礎科学ノート Vol.17 No.2 February 2010 現在主流の原子炉である軽水炉では、スピードの遅い中性子（熱中性子）を、核分裂しやすいウラン 235 千葉敏（ちばさとし） 1957 年、宮城県生まれ。工学博士。1985 年、東北大学大学院工学研究科原子核工学専攻博士課程中退。同年、日本原子力研究所研究員。2009 年より極限重原子核研究グループサブリーダー（主任研究員・研究主幹）。専門は本人の造語である核反応理工学。キュリウムなど、ウランよりも重い元素が含まれている。これらは「マイナーアクチノイド（MA）」と呼ばれる。MA には放射能が強く 100 万年を超えるような長い半減期を持つものがある。「MA をそのまま廃棄すると、後世に大きな負担を残してしまいます。軽水に当てて核分裂を引き起こしている。その核分裂によ炉や高速炉の使用済み核燃料から MA を取り出し、ウり約 2.5 個の中性子が発生し、ほかのウランの核分裂ランやプルトニウムとともに燃料に混ぜて核分裂させを引き起こす。このような連鎖反応が安定して起きるることで、廃棄物処理の負担を軽減しようというのが臨界状態を保つことで、発電に利用している。革新的高速炉です」ただし、天然ウランの中で核分裂しやすいウランただし、革新的高速炉の研究開発には、中性子と 235 は 0.7％にすぎず、残りの 99.3％は核分裂しにくい MA の反応データが不可欠だ。中性子が衝突したとき、ウラン 238 だ。ウランも限りある資源である。経済それぞれの MA はどのくらいの確率で核分裂するの的に採掘が可能だと確認されているウランの資源量か。核分裂に伴い中性子を何個放出するのか。臨界状を、現在の需要量で割った可採年数は約 100 年。現在、態に影響を与えるそれらのことが理解できなければ、世界中で原子力発電所の新設が計画されており、ウラどの種類の MA をどのくらいの量まで燃料に混ぜてもンの需要は急増すると予想されている。このままでは、革新的高速炉を安全に運転できるのかが分からない。早期にウラン資源が枯渇してしまうおそれがある。この問題を解決できる方法がある。それが高速炉だ。革新的高速炉の実現にとって、中性子と MA の反応は不可欠なデータなのだ。ところが、それを測定する現在の軽水炉の燃料には、核分裂しやすいウラン 235 ことは極めて困難である。「原子炉内でできる放射能のが 3 ∼ 4.5％含まれており、残りはウラン 238 である。強い MA をすべて取り出して、中性子との反応を測定核分裂により発生した中性子の一部はウラン238 に吸する実験は現実的には不可能です」収される。すると核分裂しやすいプルトニウム239 に測定が困難な中性子と MA の反応を、別の核反応に変わる。現在の軽水炉が生み出すエネルギーの約 3 分よって理解するための方法、それが代理反応である。の 1 はプルトニウムの核分裂による。一方、高速炉では、高速の中性子によってプルトニこれまでの仮定は間違っていた！ウム 239 の核分裂を引き起こす。それにより軽水炉でそれでは、代理反応について紹介しよう。中性子との核分裂よりも多い約 3 個の中性子が発生する。この MA の反応により、それらが合体した複合核が瞬間的ためウラン238 をプルトニウム239 に効率よく変換することができる。高速炉では、核分裂する量よりも多いプルトニウム239を生み出すことができると考えられている。このような高速炉は高速増殖炉と呼ばれ、 JAEA では原型炉「もんじゅ」を建設して、研究開発を進めてきた。高速炉によりウラン資源の利用効率は数十倍以上に向上し、人類は千年以上にわたり原子力を利用し続けることができると期待されている。「原子力を末永く利用するには、高速炉が絶対に必要なのです。その意味で、現在の原子力技術はまだまだ発展途上にあります」原子力利用の大きな課題は、高レベル放射性廃棄物の処理だ。使用済み核燃料には放射能の強い核分裂生成物とともに、ウランなどが中性子を吸収することで、プルトニウムだけでなくネプツニウム、アメリシウム、図 1　代理反応基礎科学ノート Vol.17 No.2 February 2010 3 Interview にでき、すぐに壊れて核分裂が起きる。中性子と MA それが同じだという仮定のもとに、代理反応の実験をの反応でできる複合核と同じ陽子・中性子数、励起エ進めてきました。しかし私たちは、その仮定が間違っネルギーを持つ複合核を、重イオンを加速してウランていることを明らかにしました」などの標的核に当てることによってつくり出し、そのなぜ、仮定は間違っていたのか。「原子核は、励起エ核反応を測定する。それにより中性子と MA の核反応ネルギーのほかに、スピンとパリティーという物理量を理解しようというのが、代理反応だ（図 1）。を持ちます。この三つの物理量が原子核のあらゆる振そもそも代理反応を行える研究機関は世界的にも限る舞いを支配しています。これまで米国とフランスでられている。「取り扱いに注意が必要なウランや MA をは、スピンとパリティーの影響を無視して実験を進め標的核として扱える技術と加速器実験施設があるのてきたのです。しかし私たちは、スピンとパリティーには、日本では唯一、JAEA だけなのです」より核分裂の確率が変化することを明らかにしました」代理反応の実験は、米国とフランスの研究グループにより先行的に行われてきた。しかし、千葉 SL たちには両国にはない強みがある。代理反応の実験に最適標的核に当てる重イオンビームの速度を調整するこな大型タンデム加速器を擁していることだ。「代理反応とで、複合核の励起エネルギーは任意の値を実現できでは、ぶつける重イオンビームを構成するそれぞれのる。しかしスピンとパリティーの値はコントロールす重イオンの速度が高い精度でそろっている必要がありることができない。ます。タンデム加速器は、高い電圧を発生させて重イでは、どのような条件で代理反応を行えば、中性子オンを加速する静電加速器なので、きれいに速度がそと MA の反応を理解することができるのか。その条件ろった重イオンビームをつくることができます。しかを理論的に導き出すことにも、千葉 SL たちは成功しも JAEA のタンデム加速器は、さまざまな元素の重イた。「その条件は少し複雑なのですが……」と、千葉オンビームをつくり出すことができます。まさに、代 SL は図を描きながら説明してくれた（図 2）。理反応にうってつけの装置なのです」ある種類の MA と中性子の反応を A、別の MA と中千葉 SL たちの代理反応の実験は、文部科学省の「原性子との反応を B とする。MA の反応の多くは測定困子力システム開発事業」に採択され、3 年計画の実験難だが、一部には測定可能なものがある。ここでは反を2009 年度からスタートした。「まず私たちは、どの応 A は測定困難で、この核分裂確率を知りたいとしよような条件で代理反応の実験を行えば中性子と MA のう。一方、反応 B は測定可能で、例えば 42％の確率で反応を理解することができるのか、それを理論的に検核分裂することが知られているとする。「それぞれの反討することから始めました」応の途中でできる複合核 A と複合核 B の陽子・中性子ポイントは、反応の途中でできる複合核の陽子・中数が偶数か奇数か、原子核の形、励起準位の分布など性子数と励起エネルギーが同じならば、その後に起きが似ていれば、スピン・パリティーの分布も似ているる核分裂の確率（核分裂断面積）などは同じとなるのと考えることができます」か、という問題だ。「米国やフランスの研究グループは図 2　代理反応が成り立つ条件 4 代理反応が成り立つ条件を発見基礎科学ノート Vol.17 No.2 February 2010 この反応 A と B に対応する代理反応の実験を行う。中性子検出器例えば、反応 A と同じ複合核を生成する代理反応 A' MWPC（多芯線比例計数管）で測定された核分裂する確率が 80％、反応 B と同じ複合核を生成する代理反応 B' の核分裂確率が 40％と測定できたとする。A' と B' の核分裂確率の比は 80％： γ線検出器 40％＝ 2：1 だ。「中性子反応 A と代理反応 A' で生成されるのは、同じ複合核でもスピン･パリティー分布はずいぶん違っています。反応 B と B' も同様です。しかし、 A' と B'（両方とも代理反応）のスピン･パリティー円環状シリコン ΔE-E 検出器分布は、両者の構造や反応機構が似ていればほぼ同じになります。驚くべきことに、この条件のもとでは、代理反応 A' と B' の核分裂確率の比と、中性子による反応 A と B の場合の比が等しくなることを、私たちは MWPC（多芯線比例計数管）中性子検出器図 3　代理反応の実験装置の概念図理論的に明らかにしたのです。それによって、どのよと考えられている。地球上のウラン資源も、超新星爆うな条件で実験をすればよいかも分かってきました」発の遺産である。しかしその元素合成の仕組みがよくすなわち、この例でいえば、A' と B' の核分裂確率の分かっていない。「安定核が中性子を吸収して不安定核比は 2：1 なので反応 A と B の比も同じく 2：1。反応 B となり、それがすぐに崩壊して陽子数が増えた重い元は 42％なので、反応 A の核分裂の確率は 84％だと導素の原子核ができます。このような元素合成の過程をき出せる。いったんこの情報を得ることができれば、解明するには、中性子を吸収した不安定核の反応を理原子炉設計の計算で必要な反応 A の核分裂の確率を求解することが必要です。しかし、不安定核はすぐに崩めることは簡単である。壊してしまうので測定が困難です。そのような不安定「この代理反応の成立条件が正しいかどうか、これ核の反応の理解にも代理反応が有効です」から実験で検証していきます」。千葉 SL たちは、2010 代理反応の実験は、工学と理学の懸け橋となるだろ年度から JAEA のタンデム加速器施設で、酸素 18 なう。「私が先端基礎研究センターで原子核物理の研究をどの重イオンビームをウランの標的核に当てる代理開始して十数年になります。その間、数多くの物理学反応の実験を開始する予定だ（図 3）。酸素 18 から標者と知り合うことができました。そのネットワークを的核に 1 個ないし 2 個の陽子や中性子が吸収されたり、駆使して、タンデム加速器やこれまで築いてきた重イ逆に MA の陽子や中性子が酸素 18 に引き抜かれたりオン実験技術、原子核の理論を総動員しなければ、代することで、さまざまな代理反応を実現できる。さら理反応の実験は成功しません。工学と理学の垣根を取にプルトニウムやキュリウムを標的核として用いるこり払い、原子力利用に役立てることを目指してきた研とで、革新的原子炉の設計に必要な中性子と MA の反究の集大成が、この代理反応の実験なのです。そして、応のほぼすべてを、代理反応で調べることができる。 JAEA はこの研究を中心となって遂行できる施設、人「核反応により中性子を引き抜かれた酸素 16 を測定的資源を有する国内唯一の機関です。そのミッションすることで、複合核の励起エネルギーを測定します。を果たすために、何としてもこの実験を成功させなく核分裂確率は、核分裂生成物を測定することで導き出てはなりません」します。さらに核分裂によって発生する中性子数の測定や、MA が中性子を吸収する際に発生するガンマ線の測定も行いたいと考えています。それは臨界状態にかかわる重要なデータですが、そのような測定は米国やフランスも行ったことのない、世界初のチャレンジングな実験です。それらをすべて実現するには、最低でも 5 ∼ 6 年かかるでしょう」工学と理学の懸け橋に代理反応は原子力だけでなく、元素合成の謎を探る原子核物理からも大きな期待を寄せられている。鉄よりも重い元素の多くは、超新星爆発に伴い合成される（取材・執筆：立山晃） Nuclear physics breaks a new frontier of nuclear energy -Surrogate reaction method to measure indirectly nuclear data necessary for development of innovative fast reactors- Dr. Satoshi Chiba, sub-leader of Research Group for Physics of Heavy Nuclei, has initiated a project called "surrogate reaction method". This is an experimental technique to measure indirectly neutron nuclear data of nuclei for which direct measurement is diﬃcult or practically impossible due to, e.g., their short half lives. In this method, the neutron cross sections is determined by creating the same compound nuclei as desired neutron reactions by using different reactions, mostly multi-nucleon transfer reactions. This method will enable us to determine neutron cross sections of a number of nuclei inevitably important for development of innovative fast reactors. They have found an important criteria for the neutron and surrogate reactions become equivalent, which makes the surrogate reaction method to work eﬀectively. The experiments to verify this criteria and actual data production will be carried out at Tokai tandem-accelerator facility from ﬁscal year of 2010. 基礎科学ノート Vol.17 No.2 February 2010 5